电场对铁电/铁磁异质结自旋轨道转矩效应的调控及其机理研究

This project will systematically study the mechanism of spin-orbit torque in a ferroelectric/ferromagnetic heterostructure controlled by electric field. Starting from novel materials and mechanism in a series of electric field controlled magnetoelectric properties in a ferroelectric/ferromagnetic heterostructure. We intend to explore new ways to reduce the critical current and design novel spin current devices. First of all, we will systematically study the effect of electric field on electronic structure, lattice structure and magnetoelectric properties. Combined with first principle calculation, we will learn the magnetoelectric effect in ferroelectric/ferromagnetic interface in-depth. Secondly, we will reveal mechanism of spin-orbit torque in a ferroelectric/ferromagnetic heterostructure controlled by electric field. Thirdly, study the relationship between spin-orbit torque and electronic structure, lattice structure, ferromagnetic domain, ferroelectric domain in a ferroelectric/ferromagnetic heterostructure. Fourthly, we will realize the electric field controlled spin-obit torque in a ferroelectric/ferromagnetic heterostructure reversibility without magnetic field. Finally, design the novel spintronics devices based on electric field controlled spin-obit torque. This project will establish the scientific foundation for design low-energy-consuming and high efficiency spintronics devices.

本项目将围绕电场对铁电/铁磁异质结SOT效应调控机理开展系统的研究，以电场调控铁电/铁磁异质结磁电性能中出现的一系列新机制新材料为出发点，探索降低临界翻转电流的新途径，构筑新型自旋电子学器件，具体包括以下几方面的工作：其一，系统地研究电场对铁电/铁磁异质结电子结构、晶格结构以及磁电性质的影响，结合第一原理法分析，深入理解铁电/铁磁界面处磁电耦合机制；其二，揭示出电场对于铁电/铁磁异质结中SOT效应的影响机制；其三，正确掌握铁电/铁磁异质结的电子结构、晶格结构、铁电畴、铁磁畴等因素与SOT效应之间的关系；其四，实现无磁场辅助下，电场对异质结SOT的可逆调控；其五，构筑出1-2种基于电场调控SOT效应的新型自旋电子学器件。该项目的实施将为今后实现低能耗、高效率自旋电子学器件奠定科学基础。

垂直磁各向异性（PMA）和基于自旋轨道转矩（SOT）的电流驱动磁化翻转是最近自旋电子器件领域广泛受到人们关注的两个概念。相比于面内磁各向异性，PMA拥有可以实现高密度存储和热稳定性等优势。基于SOT的电流驱动磁化翻转也可以在PMA结构上实现。相比于传统的基于自旋转移力矩设计的磁随机存储器，自旋轨道力矩磁随机存储器的优势在于低能耗效率高等特点，因而有望发展成为下一代磁存储器件。而垂直交换偏置（PEB）效应的提出有利于推动高密度信息存储的发展，同时也为反铁磁材料在自旋电子器件中的应用提供了新的思路。.在本研究中，我们在PMN-PT基底上生长了具有PMA的结构，并实现了在PMN-PT/FePt异质结上对垂直磁各向异性，磁畴翻转以及电流驱动磁化翻转过程的调控。我们报道了在温度的辅助下，电场调控基于SOT效应的磁化翻转。在单晶基底PMN-PT上生长一层2nm的L10-FePt薄膜，由于PMN-PT基底的压电效应，电场产生的应变可以传导至FePt薄膜上，在较高的温度下，异质结有较大的应变诱导的有效场以及较弱的垂直磁各向异性，电场可以更加有效的调控垂直磁各向异性以及基于SOT效应的磁化翻转。我们通过磁光克尔显微镜动态的观测到了电场驱动磁畴翻转的过程，还设计了一种基于SOT效应的可以双向传输数据的自旋电子学器件。.另外，在本部分的实验中，我们在Si/SiO2基底上制备了Ta/Pt/Co/IrMn/Pt的异质结构，通过磁场或热辅助场可以实现对界面处反铁磁未补偿磁矩的调控，进而改变垂直交换偏置效应的类型，同时影响了电流驱动铁磁层磁化翻转的行为。我们采用了压电材料基底PMN-PT作为应力源，利用其压电效应提供应力，将多层膜通过微加工制备成霍尔巴器件，实现了对垂直交换偏置场的可逆调节。我们研究了Ta/Pt/Co/IrMn/Pt异质结构中的垂直交换偏置，以及在热场和磁场对界面处反铁磁未补偿磁矩排列方式的调控。我们还研究了不同形态的垂直交换偏置对SOT驱动磁化翻转的影响。还将单方向垂直交换偏置的样品生长在压电基底PMN-PT上，施加电场利用应力实现了对垂直交换偏置场的可逆调控。